特開 2023-151015 アンダーマッチ溶接型柱継手構造およびその評価方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2023151015

(43)【公開日】2023-10-16

(54)【発明の名称】アンダーマッチ溶接型柱継手構造およびその評価方法

(51)【国際特許分類】

   E04B 1/58 20060101AFI20231005BHJP

   G01N 3/08 20060101ALI20231005BHJP

   G01N 3/32 20060101ALI20231005BHJP

   E04B 1/18 20060101ALI20231005BHJP

【ＦＩ】

E04B1/58 503H

G01N3/08

G01N3/32 K

E04B1/18 E

【審査請求】未請求

【請求項の数】6

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2022060403

(22)【出願日】2022-03-31

(71)【出願人】

【識別番号】000001199

【氏名又は名称】株式会社神戸製鋼所

(71)【出願人】

【識別番号】504150450

【氏名又は名称】国立大学法人神戸大学

(74)【代理人】

【識別番号】100145403

【弁理士】

【氏名又は名称】山尾 憲人

(74)【代理人】

【識別番号】100111039

【弁理士】

【氏名又は名称】前堀 義之

(72)【発明者】

【氏名】岩竹 ちよ美

(72)【発明者】

【氏名】松下 政弘

(72)【発明者】

【氏名】山口 徹雄

(72)【発明者】

【氏名】高田 武之

(72)【発明者】

【氏名】田中 剛

【テーマコード（参考）】

2E125

2G061

【Ｆターム（参考）】

2E125AA04

2E125AB16

2E125AC16

2E125CA90

2G061AA01

2G061AA07

2G061AB01

2G061AB05

2G061BA01

2G061BA15

2G061CA02

2G061CB19

2G061EA01

2G061EA02

(57)【要約】

【課題】溶接施工性と変形性能に優れた軟質溶接式の柱継手構造を提供する。
【解決手段】アンダーマッチ溶接型柱継手構造１０が、矩形箱状の断面を有し、高張力鋼で成形された上柱部材１２および下柱部材１１と、下柱部材１１の上端部と上柱部材１２の下端部とを柱部材１１，１２よりも低強度の溶接金属で溶接する接合部１３と、を備え、高張力鋼が、630MPa以上の降伏耐力_Ｂσ_ｙを有する。軸力比ｎおよび載荷方向に応じて準備された判定式を満たすように、溶接金属が設定される。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

矩形箱状の断面を有し、高張力鋼で成形された上柱部材および下柱部材と、
前記下柱部材の上端部と前記上柱部材の下端部とを、前記柱部材よりも低強度の溶接金属で溶接する接合部と、
を備える、アンダーマッチ溶接型柱継手構造であって、
前記高張力鋼は、630MPa以上の降伏耐力_Ｂσ_ｙを有し、
前記柱部材の柱幅をＢとし、前記柱部材の板厚をｔとし、前記柱部材による拘束を受けた状態における前記溶接金属の降伏耐力を_ｗσ_ｙとし、前記溶接金属の降伏比の逆数をβとし、
軸力比ｎが0≦ｎ≦0.5の条件下で、０度載荷方向について次式（1.0）を満たし且つ４５度載荷方向について次式（1.45）を満たす
アンダーマッチ溶接型柱継手構造。

【数1】

【請求項2】

前記溶接金属は、前記柱部材による拘束を受けた状態において、500MPa以上の降伏耐力_ｗσ_ｙおよび630MPa以上の引張強度_ｗσ_ｕを有し、
前記式（1.0）に代えて次式（1'.0）を満たし、前記式（1.45）に代えて次式（1'.45）を満たす
請求項１に記載のアンダーマッチ溶接型柱継手構造。

【数2】

【請求項3】

矩形箱状の断面を有し、高張力鋼で成形された上柱部材および下柱部材と、
前記下柱部材の上端部と前記上柱部材の下端部とを、前記柱部材よりも低強度の溶接金属で溶接する接合部と、
を備えるアンダーマッチ溶接型柱継手構造であって、
前記高張力鋼は、630MPa以上の降伏耐力_Ｂσ_ｙを有し、
前記柱部材の柱幅をＢとし、前記柱部材の板厚をｔとし、前記柱部材による拘束を受けた状態における前記溶接金属の降伏耐力を_ｗσ_ｙとし、前記溶接金属の降伏比の逆数をβとし、
軸力比ｎが0.5＜ｎ≦0.5（β＋1）の条件下で、０度載荷方向について次式（2.0）を満たし且つ４５度載荷方向について次式（2.45）を満たす
アンダーマッチ溶接型柱継手構造。

【数3】

【請求項4】

前記溶接金属は、前記柱部材による拘束を受けた状態において、500MPa以上の降伏耐力_ｗσ_ｙおよび630MPa以上の引張強度_ｗσ_ｕを有し、
前記式（2.0）に代えて次式（2'.0）を満たし、前記式（2.45）に代えて次式（2'.45）を満たす
請求項３に記載のアンダーマッチ溶接型柱継手構造。

【数4】

【請求項5】

前記上柱部材の前記下端部に開先が設けられ、前記上柱部材と前記下柱部材は前記接合部においてレ型突合せ溶接されており、
開先角度が３５度である
請求項１から請求項４のいずれか１項に記載のアンダーマッチ溶接型柱継手構造。

【請求項6】

矩形箱状の断面を有し、高張力鋼で成形された上柱部材および下柱部材と、
前記下柱部材の上端部と前記上柱部材の下端部とを、前記柱部材よりも低強度の溶接金属で溶接する接合部と、
を備えるアンダーマッチ溶接型柱継手構造の評価方法であって、
前記高張力鋼が、630MPa以上の降伏耐力_Ｂσ_ｙを有し、
前記柱部材の柱幅をＢとし、前記柱部材の板厚をｔとし、前記柱部材による拘束を受けた状態における前記溶接金属の降伏耐力を_ｗσ_ｙとし、前記溶接金属の降伏比の逆数をβとする場合において、
軸力比ｎが0≦ｎ≦0.5の条件下では、０度載荷方向について次式（1.0.L）、４５度載荷方向について次式（1.45.L）で表され、軸力比ｎが0.5＜ｎ≦0.5（β＋1）の条件下では、０度載荷方向について次式（2.0.L）、４５度載荷方向について次式（2.45.L）で表される、前記接合部の最大曲げ耐力を導出することと、
導出された前記接合部の前記最大曲げ耐力に基づいて、前記柱部材が全塑性状態になる前に前記接合部が破断せずに済むか否かを判定することと
を備える、アンダーマッチ溶接型柱継手構造の評価方法。

【数5】

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、アンダーマッチ溶接型柱継手構造およびその評価方法に関する。

【背景技術】

【0002】

部材同士を溶接するにあたっては、安全性を保証するため、溶接金属が母材と同等以上の強度を有すること、すなわち、イーブンマッチ溶接またはオーバーマッチ溶接を行うことが前提的である。例えば、我が国の建築基準法によれば、355N/mm²級（SM520）の構造用鋼材に対して355N/mm²以上の引張強さを有する溶接金属を適用すべき旨規定されている。

【0003】

近年、建築物の高層化および大スパン化、それに伴う柱部材の厚肉化および高強度化が進んでいる。８０キロ級高張力鋼の柱部材への適用が期待されるが、355N/mm²以上の強度を有する構造用鋼材に対しては溶接金属の強度について確たる規定がない。上記例に倣えば、８０キロ級溶接金属を用いることが前提的であるともいえる。しかし、８０キロ級溶接金属は、予熱、入熱量、あるいはパス間温度などの溶接条件に厳しい制約があり、溶接施工効率が良くない。そこで、高張力鋼柱の角溶接部や柱－梁接合部において、アンダーマッチ溶接を行うことが検討されている（例えば、非特許文献１、２を参照）。

【先行技術文献】

【非特許文献】

【0004】

【非特許文献1】小松ら，"80キロ級箱型断面柱における軟質溶接継手の耐力評価について"，1996年度日本建築学会関東支部研究報告集，pp.89-92

【非特許文献2】粟田ら，"アンダーマッチング溶接により組み立てられた超高強度鋼CFT部材の構造性能に関する研究その１"，日本建築学会講演梗概集（中国），2017年8月

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

アンダーマッチ溶接とは、母材よりも低強度の溶接金属を用いた溶接である。溶接金属の強度を下げても安全性が確保されるのであれば、溶接条件の緩和により溶接時の施工管理を省略できる可能性があり、溶接施工効率の改善が見込まれるものと考えられる。しかし、柱継手（柱－柱接合部）については、アンダーマッチ溶接の適用時における安全性についての検証がなされていない。

【0006】

本発明は、溶接施工性の向上と安全性の確保とを両立可能な柱継手構造を提供すること、また、アンダーマッチ溶接型柱継手構造の安全性を妥当に且つ容易に評価するための方法を提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0007】

本件発明者は、上記目的を達成すべく検討した結果、保有耐力接合の考え方に従って、柱継手構造の安全性を評価し得るものと着想した。すなわち、接合部の耐力（例えば、接合部の最大曲げ耐力）と母材の耐力（例えば、柱部材の全塑性曲げ耐力）との比較に基づいて、柱継手構造の安全性の良否を判定可能であると着想した。さらに、この着想の下、実験を通じて、箱型断面を有する柱を対象に、アンダーマッチ溶接型の柱継手構造の接合部の耐力を妥当に且つ容易に算出するための算出式を独自の知見として得た。本発明は、かかる着想および知見に基づいて為されたものである。

【0008】

本発明の第１の態様は、矩形箱状の断面を有し、高張力鋼で成形された上柱部材および下柱部材と、前記下柱部材の上端部と前記上柱部材の下端部とを、前記柱部材よりも低強度の溶接金属で溶接する接合部と、を備える、アンダーマッチ溶接型柱継手構造であって、前記高張力鋼は、630MPa以上の降伏耐力_Ｂσ_ｙを有し、
軸力比ｎが0≦ｎ≦0.5の条件下で、０度載荷方向について次式（1.0）を満たし且つ４５度載荷方向について次式（1.45）を満たす、アンダーマッチ溶接型柱継手構造を提供する。

【0009】

【数1】

ここで、Ｂは、前記柱部材の柱幅であり、ｔは、前記柱部材の板厚であり、_ｗσ_ｙは、前記柱部材による拘束を受けた状態における前記溶接金属の降伏耐力であり、βは、前記溶接金属の降伏比の逆数である。

【0010】

本発明の第２の態様は、矩形箱状の断面を有し、高張力鋼で成形された上柱部材および下柱部材と、前記下柱部材の上端部と前記上柱部材の下端部とを、前記柱部材よりも低強度の溶接金属で溶接する接合部と、を備える、アンダーマッチ溶接型柱継手構造であって、前記高張力鋼は、630MPa以上の降伏耐力_Ｂσ_ｙを有し、
軸力比ｎが0.5＜ｎ≦0.5（β＋1）の条件下で、０度載荷方向について次式（2.0）を満たし且つ４５度載荷方向について次式（2.45）を満たす、アンダーマッチ溶接型柱継手構造を提供する。

【0011】

【数2】

ここで、Ｂは、前記柱部材の柱幅であり、ｔは、前記柱部材の板厚であり、_ｗσ_ｙは、前記柱部材による拘束を受けた状態における前記溶接金属の降伏耐力であり、βは、前記溶接金属の降伏比の逆数である。

【0012】

本発明の第３の態様は、矩形箱状の断面を有し、高張力鋼で成形された上柱部材および下柱部材と、前記下柱部材の上端部と前記上柱部材の下端部とを、前記柱部材よりも低強度の溶接金属で溶接する接合部と、を備える、アンダーマッチ溶接型柱継手構造の評価方法であって、前記高張力鋼が、630MPa以上の降伏耐力_Ｂσ_ｙを有する場合において、
軸力比ｎが0≦ｎ≦0.5の条件下では、０度載荷方向について次式（1.0.L）、４５度載荷方向について次式（1.45.L）で表され、軸力比ｎが0.5＜ｎ≦0.5（β＋1）の条件下では、０度載荷方向について次式（2.0.L）、４５度載荷方向について次式（2.45.L）で表される、前記接合部の最大曲げ耐力を導出することと、
導出された前記接合部の前記最大曲げ耐力に基づいて、前記柱部材が全塑性状態になる前に前記接合部が破断せずに済むか否かを判定することと
を備える、アンダーマッチ溶接型柱継手構造の評価方法を提供する。

【0013】

【数3】

ここで、Ｂは、前記柱部材の柱幅であり、ｔは、前記柱部材の板厚であり、_ｗσ_ｙは、前記柱部材による拘束を受けた状態における前記溶接金属の降伏耐力であり、βは、前記溶接金属の降伏比の逆数である。

【0014】

上記によれば、柱部材が箱型断面を有する場合において、溶接金属の強度パラメータや柱継手構造の設計パラメータのように柱継手構造の設計者が比較的に容易に取得可能なパラメータから、アンダーマッチ溶接型継手構造の接合部の耐力（最大曲げ耐力）を比較的に容易に算出することができる。算出された接合部の耐力に基づき、保有耐力接合の考え方に従って、柱継手構造の安全性を妥当に評価することが可能となり、また、安全性を保証可能な柱継手構造を提供することが可能となる。

【0015】

なお、地震時の応答を想定して０度載荷方向と４５度載荷方向の２つの載荷方向を考慮しているため、耐震性を有した柱継手構造を提供することが可能となる。また、軸力比の高低に応じて個別の算出式を準備するので、最大曲げ耐力に対する軸力比の影響を考慮して、妥当な評価を行うことができる。

【発明の効果】

【0016】

本発明によれば、溶接施工性の向上と安全性の確保とを両立可能な柱継手構造を提供することができる。また、アンダーマッチ溶接型柱継手構造の安全性を妥当に且つ容易に評価することができる。

【図面の簡単な説明】

【0017】

【図1】本発明の実施形態に係る柱継手構造が適用された柱構造体もしくはその試験体の一例（０度載荷方向）の側面図。

【図2】図１のII－II断面図。

【図3】図１のIII－III断面図。

【図4】本発明の実施形態に係る柱継手構造が適用された柱構造体の試験体の他例（４５度載荷方向）の図２相当断面図。

【図5】図４に示す柱構造体の図３相当断面図。

【図6】柱継手構造の開先形状を示す断面図。

【図7】柱継手構造の試験体を示す斜視図。

【図8】柱継手構造からの引張試験片の採取要領を示す図。

【図9】第１柱に適用された柱継手構造の引張試験の実験結果を示すグラフ。

【図10】第２柱に適用された柱継手構造の引張試験の実験結果を示すグラフ。

【図11】式導出において想定された崩壊機構の説明図。

【図12】式導出において想定された仮想仕事のつり合いの説明図。

【発明を実施するための形態】

【0018】

以下、図面を参照しながら、本発明の実施形態について説明する。

【0019】

＜１．柱継手構造の構成の概要＞
図１～図３は、本発明の実施形態に係る柱継手構造１０が適用された柱構造体１を示す。柱継手構造１０は、主として、上下の柱部材１１，１２と、接合部１３とを備える。

【0020】

柱部材１１，１２は、高張力鋼で成形され、箱型断面（外形が正方形状で内部が空洞の断面）を有する。柱部材１１，１２は、同軸状に配置され、上下方向に延びる。柱部材１１，１２は、平面視で重ねられた合同の外形を有する。接合部１３は、下柱部材１１の上端部と上柱部材１２の下端部とを溶接する。本実施形態では、開先１４が上柱部材１２の下端部に全周にわたって設けられる。上下の柱部材１１，１２は、全周溶接且つレ型突合せ溶接により接合される。開先１４は、三角形状断面を有し、上柱部材１２の内側から外側に向かって上側へ拡開される。

【0021】

下柱部材１１の下部は、柱構造体１の支持構造２に支持される。支持構造２は、一例として、ベース板３、一対の鉛直板４ａ，４ｂ、一対の水平板５ａ，５ｂ、および複数のリブ板６ａ，６ｂで構成される。下柱部材１１および一対の水平板５ａ，５ｂは、平面視長方形状のベース板３の上面に立設される。下柱部材１１は、ベース板３の中心部に位置づけられる。一対の鉛直板４ａ，４ｂは、ベース板３の短辺方向中央においてベース板３の長辺方向に延びる。各鉛直板４ａ，４ｂは、その一端縁にて下柱部材１１の外面に接合され、他端縁はベース板３の短辺縁に達する。一対の水平板５ａ，５ｂは、平面視長方形状であり、一対の鉛直板４ａ，４ｂの上面それぞれに載置される。各水平板５ａ，５ｂは、一方の短辺縁が下柱部材１１の外面に接合され、他方の短辺縁はベース板３の短辺縁と平面視で重なる。一対のリブ６ａ，６ｂが、鉛直板４ａ，４ｂの各々の先端部の両側面から突出する。各リブ６ａ，６ｂは、台形状に形成され、上辺が水平板５ａ，５ｂの下面に接合され、下辺がベース板３の上面に接合される。ただし、支持構造２の構成は、適宜変更可能である。

【0022】

柱部材１１，１２の素材に用いられる高張力鋼は、630MPa以上の降伏耐力_Ｂσ_ｙを有する。すなわち、柱部材１１，１２は、いわゆる８０キロ級高張力鋼もしくはそれ以上の引張強度を有する鋼材で成形されている。柱構造体１０が高強度を有するため、柱構造体１０を高層建築物の骨格部材として好適に利用することができる。

【0023】

他方、接合部１３に適用される溶接金属は、柱部材１１，１２の高張力鋼よりも低強度を有する。すなわち、本実施形態に係る柱継手構造１０においては、接合部１３においてアンダーマッチ溶接が適用されている。仮にイーブンマッチ溶接を適用した場合、溶接金属は８０キロ級の強度となるが、溶接割れ防止や溶接金属の強度および靭性の確保の観点から、予熱、入熱量、あるいはパス間温度などの溶接条件に厳しい制約があり、溶接施工効率が悪くなる。アンダーマッチ溶接を適用することで、溶接時の入熱低減や施工管理の省略が可能となり、溶接施工効率が高くなる。

【0024】

＜２．評価方法の手順の概要＞
アンダーマッチ溶接を適用する際の安全性に関し、箱型断面を有する柱－柱接合部において、溶接金属の強度が母材としての柱部材１１，１２の強度よりも低くても、柱部材１１，１２が全塑性状態になる前に接合部１３を破断するような事態を回避し得ると考えられる。すなわち、接合部の設計に際して広く用いられる保有耐力接合の考え方に従って、安全性を保証可能なアンダーマッチ溶接型の柱継手構造１０を提供し得ると考えられる。保有耐力接合の考え方に従い、柱部材１１，１２が全塑性状態になる前に接合部１３を破断させないための条件は、次式（１）で表される。

【0025】

【数4】

ここで、_ｊＭ_ｕは、接合部１３の最大曲げ耐力、αは、接合部係数、_ｃＭ_ｐは、柱部材１１，１２の全塑性曲げ耐力である。

【0026】

式（１）の右辺に関し、接合部係数αの具体的数値には、490ニュートン級炭素鋼の部材において一般によく用いられている1.1を好適に援用できる。全塑性曲げ耐力_ｃＭ_ｐは、公知の知見に基づき、軸力Ｎもしくは軸力比ｎや、柱部材１１，１２の板厚ｔ、柱部材１１，１２の降伏耐力_Ｂσ_ｙなどを変数とした式へと変換可能である。よって、柱部材１１，１２の強度パラメータ値や設計パラメータ値が得られさえすれば、式（１）の右辺の数値を比較的に容易に算出できる。

【0027】

他方、式（１）の左辺に関し、箱型断面を有する柱継手構造１０の接合部１３の最大曲げ耐力_ｊＭ_ｕについては、全塑性曲げ耐力_ｃＭ_ｐのように、溶接金属の強度パラメータ値や柱継手構造１０の設計パラメータ値などからその数値を得るための式が存在しないのが実情である。すなわち、保有耐力接合の考え方に従って、接合部１３の最大曲げ耐力_ｊＭ_ｕを算出できれば、箱型断面を有する柱継手構造１０にアンダーマッチ溶接を適用した場合における安全性を評価し得るとの着想を得たとしても、最大曲げ耐力_ｊＭ_ｕの数値を妥当に且つ容易に算出するための手法が存在しないのが実情である。

【0028】

ここで、接合部１３の最大曲げ耐力_ｊＭ_ｕは、軸力Ｎあるいは軸力比ｎの影響を受ける。また、建築物の耐震性能を確保するためには、様々な載荷方向において、式（１）を満足することが望ましい。なお、箱型断面を有する柱継手構造１０を対象とする場合に考慮すべき載荷方向としては、０度載荷方向および４５度載荷方向の２つを例示できる。０度載荷方向とは、柱継手構造１０の側面に直交する方向である。４５度載荷方向とは、柱継手構造１０の側面に対して４５度傾斜した方向である。

【0029】

以上を踏まえ、本実施形態に係る柱継手構造１０の評価方法においては、まず、溶接金属の強度パラメータや柱継手構造１０の設計パラメータのように、柱継手構造１０の設計者が比較的に容易に取得可能なパラメータ値から、接合部１３の最大曲げ耐力_ｊＭ_ｕを導出するための算出式群が準備される。

【0030】

算出式群は、軸力比ｎに応じた複数組の算出式を含む。各組の算出式は、０度載荷方向に荷重が載荷された場合に想定される最大曲げ耐力_ｊＭ_ｕを導出するための０度載荷用算出式と、４５度載荷方向に荷重が載荷された場合に想定される最大曲げ耐力_ｊＭ_ｕを導出するための４５度載荷用算出式との２つの算出式を含む。本実施形態では、軸力比ｎの高低に応じて、２組の算出式が準備される。よって、算出式群は、２×２の合計４つの算出式を含む。

【0031】

算出式群が一旦準備されると、（１ａ）想定される軸力比ｎに応じて、算出式群を構成している複数組（本例では２組）の算出式から１組を選択し、（１ｂ）選択された組に含まれる２つの算出式に従って、評価対象の柱継手構造１０の設計パラメータ値や溶接金属の強度パラメータ値に応じて、０度載荷方向への載荷時に想定される接合部１３の最大曲げ耐力_ｊＭ_ｕと、４５度載荷方向への載荷時に想定される接合部１３の最大曲げ耐力_ｊＭ_ｕとを算出する。

【0032】

次に、（２）算出された最大曲げ耐力_ｊＭ_ｕに基づいて、柱部材１１，１２が全塑性状態になる前に接合部１３が破断せずに済むか否かを判定する。すなわち、算出された最大曲げ耐力_ｊＭ_ｕの数値を、式（１）の右辺の数値と比較し、式（１）の不等式の成否を判定する。０度載荷方向で想定される接合部１３の最大曲げ耐力_ｊＭ_ｕも、４５度載荷方向で想定される接合部１３の最大曲げ耐力_ｊＭ_ｕも、式（１）を満たす場合に、耐震性も踏まえて、評価対象の柱継手構造１０はその安全性が確保されていると評価する。少なくともいずれか一方の最大曲げ耐力_ｊＭ_ｕが式（１）を満たさない場合には、評価対象の柱継手構造１０はその安全性が保証されないと評価する。

【0033】

＜３．接合部の最大曲げ耐力の算出式＞
以下、接合部１３の最大曲げ耐力_ｊＭ_ｕの算出式についてより具体的に説明する。算出式の導出に先立ち、柱継手構造１０の試験体１０Ａ，１０Ｂ（図１および図４を参照）が製作される。試験体１０Ａ，１０Ｂは、２種製作される。片方が、０度載荷方向に荷重が載荷されることが想定された０度載荷試験体１０Ａ（図１～図３を参照）である。もう片方が、４５度載荷方向に荷重が載荷されることが想定された４５度載荷試験体１０Ｂ（図４および図５を参照）である。これら試験体１０Ａ，１０Ｂの主たる構成は、柱継手構造１０の概要構成として前述したとおりである。

【0034】

図１～図３に示すように、０度載荷試験体１０Ａでは、下柱部材１１の外形の一辺縁がベース板１５ａの長辺縁または短辺縁と平行となる姿勢で、下柱部材１１が支持構造１５に支持される。そのため、一対の鉛直板１５ｂ，１５ｃは、下柱部材１１の側面の中央部に接合される。図４および図５に示すように、４５度載荷試験体１０Ｂでは、下柱部材１１が図１～図３に示す状態から中心軸周りに４５度回転された姿勢で、下柱部材１１が支持構造１５に支持されている。そのため、一対の鉛直板１５ｂ，１５ｃは、下柱部材１１の角部に接合される。これら試験体１０Ａ，１０Ｂを用いた実験において、荷重は、図２～図４の紙面左右方向に載荷される。

【0035】

また、試験体１０Ａ，１０Ｂのいずれにおいても、接合部１３に変形が集中するように、下柱部材１１が上柱部材１１よりも大きい板厚を有しており、柱継手構造１０が段継手となっている。下柱部材１１の板厚は２４ｍｍ、上柱部材１２の板厚は１２ｍｍである。下柱部材１１および上柱部材１２の外形は、どちらも１５０ｍｍ角の正方形である。なお、実物柱では、板厚は約６０ｍｍ程度、外形は約６００ｍｍ角程度となる。

【0036】

図６を参照して、試験体１０Ａ，１０Ｂを用いた実験においてこの実物柱の弾塑性挙動を良好に模擬できるように、試験体１０Ａ，１０Ｂと実物柱の柱継手構造の相当塑性ひずみが同等となるような開先条件が抽出される。その結果として、試験体１０Ａ，１０Ｂの開先角度θは３５度、ルートギャップＧは３ｍｍに設定されている。

【0037】

このように試験体１０Ａ，１０Ｂの設計パラメータが決定されると、次に崩壊機構が決定される。そのために、有限要素法解析を用いて、試験体１０Ａ，１０Ｂの破断線を確認する。その結果として、本例では、開先に沿ってすべり変形することが確認された（図１１を参照）。

【0038】

次に、溶接金属の耐力から、柱部材１１，１２による拘束を受けた溶接金属の耐力を換算するための関係性を特定する。そのために、上記のとおり決定された崩壊機構に基づいて、仮想仕事のつり合い（図１２を参照）より、崩壊荷重Ｐを算出する。内力の仕事が外力の仕事と等しいという関係性と、本例の開先角度θが３５度である点とから、崩壊荷重Ｐは、次式（２）で表される。

【0039】

【数5】

ここで、τ_ｙは、せん断応力、δは、鉛直方向変位、δ_ｓは、せん断方向変位、ｌ（小文字のエル）は、板厚ｔのせん断方向成分、_ｗσ_ｙ0は、溶接金属の降伏耐力である。式（２）より、崩壊荷重Ｐは、溶接金属の降伏耐力_ｗσ_ｙ0の1.23倍となることがわかる。

【0040】

次に、全塑性時の応力分布を設定する。有限要素法解析を用いて、全塑性時の応力分布を設定する。軸力Ｎを考慮した最大曲げ耐力は、_ｗσ_ｕで構成される領域と、_ｗσ_ｙで構成される領域の各最大曲げ耐力の和である。０度載荷方向と４５度載荷方向とのそれぞれにについて解析し、応力ブロックを個別に設定する。解析モデルは、上記の崩壊機構を決定した際に用いられたものと同様である。

【0041】

次に、軸力比ｎに応じて２ケースに分け、各ケースについて、上記の応力分布に基づいて、０度載荷方向と４５度載荷方向とのそれぞれについて最大曲げ耐力_ｊＭ_ｕを算定する。その結果として、最大曲げ耐力_ｊＭ_ｕを算出するための算出式が、以下のように４通り得られる。

【0042】

【数6】

ここで、βは、溶接金属の降伏比の逆数、Ｂは、柱部材１１，１２の柱幅（辺長）である。

【0043】

算出式（1.0.L）および（1.45.L）は、軸力比ｎが0≦n≦0.5の条件下で適用される算出式の組を構成する。算出式（1.0.L）は、０度載荷方向での最大曲げ耐力_ｊＭ_ｕを算出するための式である。算出式（1.45.L）は、４５度載荷方向での最大曲げ耐力_ｊＭ_ｕを算出するための式である。

【0044】

算出式（2.0.L）および（2.45.L）は、軸力比nが0.5＜n≦0.5（β＋1）の条件下で適用される算出式の組を構成する。算出式（2.0.L）は、０度載荷方向での最大曲げ耐力_ｊＭ_ｕを算出するための式である。算出式（2.45.L）は、４５度載荷方向での最大曲げ耐力_ｊＭ_ｕを算出するための式である。

【0045】

＜４．全塑性曲げ耐力の算出式等＞
式（１）の右辺にある全塑性曲げ耐力_ｃＭ_ｐに関しても、接合部１３の最大曲げ耐力_ｊＭ_ｕと同様、軸力比および載荷方向に応じて、以下の４通りの算出式が得られる。

【0046】

【数7】

算出式（1.0.R）、（1.45.R）、（2.0.R）、および（2.45.R）は、算出式（1.0.L）、（1.45.L）、（2.0.L）、および（2.45.L）それぞれと対応している。

【0047】

算出式（1.0.R）および（1.45.R）は、軸力比ｎが0≦ｎ≦0.5の条件下で適用される算出式の組を構成する。算出式（1.0.R）は、０度載荷方向での全塑性曲げ耐力_ｃＭ_ｐを算出するための式である。算出式（1.45.R）は、４５度載荷方向での全塑性曲げ耐力_ｃＭ_ｐを算出するための式である。算出式（2.0.R）および（2.45.R）は、軸力比ｎが0.5＜ｎ≦0.5（β＋1）の条件下で適用される算出式の組を構成する。算出式（2.0.R）は、０度載荷方向での全塑性曲げ耐力_ｃＭ_ｐを算出するための式である。算出式（2.45.R）は、４５度載荷方向での全塑性曲げ耐力_ｃＭ_ｐを算出するための式である。

【0048】

なお、軸力比ｎは、次式（３）より得られる。母材による拘束を受けた溶接金属の降伏強度_ｗσ_ｙおよび引張強度_ｗσ_ｕは、式（２）に基づき、次式（４）および（５）それぞれより得られる。溶接金属の降伏比の逆数βは、次式（６）より得られる。継手降伏耐力_ｗＮ_ｙおよび継手最大引張耐力_ｗＮ_ｕは、次式（７）および（８）それぞれより得られる。また、軸力比ｎの条件：0≦ｎ≦0.5は、軸力Ｎを用いた条件式（９）と同値であり、同条件：0.5＜ｎ≦0.5（β＋1）も、軸力Ｎを用いた条件式（１０）と同値である。

【0049】

【数8】

ここで、_ｗσ_ｕ0は、溶接金属の引張強さ、Ａは、柱部材１１，１２の断面積である。

【0050】

式（３）～（８）と、算出式（1.0.L），（1.45.L），（2.0.L），（2.45.L），（1.0.R），（1.45.R），（2.0.R）、および（2.45.R）とに基づき、軸力Ｎと、柱継手構造１０の設計パラメータ（柱断面積Ａ、柱幅Ｂ、および板厚ｔ）と、溶接金属の強度パラメータ（降伏点_ｗσ_ｙ0および引張強さ_ｗσ_ｕ0）と、柱部材１１，１２の強度パラメータ（降伏耐力_Ｂσ_ｙ）の数値が決まれば、軸力比ｎも決まり、継手部１３の最大曲げ耐力_ｊＭ_ｕと、全塑性曲げ耐力_ｃＭ_ｐとが容易に算出される。

【0051】

＜５．アンダーマッチ溶接型柱継手構造の条件＞
継手部１３の最大曲げ耐力_ｊＭ_ｕと、全塑性曲げ耐力_ｃＭ_ｐとが算出されれば、式（１）で示される不等式の成否を判定することができる。つまり、式（１）は、軸力比ｎおよび載荷方向に応じて、以下の４通りの判定式に書き換えることができる。

【0052】

【数9】

判定式（1.0）は、式（１）の左辺を算出式（1.0.L）に書き換え、右辺の全塑性曲げ耐力_ｃＭ_ｐを算出式（1.0.R）に書き換え、それにより、式（１）をこれまで述べてきた変数に依存する式へと変形することによって得られる。

【0053】

判定式（1.45）は、算出式（1.45.L）および（1.45.R）を用い、式（１）を上記同様にして変形することによって得られる。判定式（2.0）は、算出式（2.0.L）および（2.0.R）を用い、式（１）を上記同様にして変形することによって得られる。判定式（2.45）は、算出式（2.45.L）および（2.45.R）を用い、式（１）を上記同様にして変形することによって得られる。

【0054】

柱継手構造１０の設計者は、評価対象の柱継手構造１０に関するパラメータ値を取得し、軸力比ｎを求めればよい。すると、判定式（1.0）および（1.45）の組を用いる状況であるか、判定式（2.0）および（2.45）の組を用いる状況であるかが決まる。

【0055】

軸力比ｎが0≦ｎ≦0.5であれば、判定式（1.0）および（1.45）の２つの成否を判定する。２つとも左辺値が右辺値以上であれば、評価対象の柱継手構造１０は、保有耐力接合の考え方に照らして、耐震性も考慮に入れて、安全であると評価することができる。いずれか１つの判定式において左辺値が右辺値未満であれば、評価対象の柱継手構造１０は、安全であるとは評価できない。

【0056】

軸力比ｎが0.5＜ｎ≦0.5（β＋1）である場合も、これと同様である。判定式（2.0）および（2.45）の２つとも、左辺値が右辺値以上であれば、評価対象の柱継手構造１０を安全であると評価することができる。いずれか１つの判定式において左辺値が右辺値未満であれば、評価対象の柱継手構造１０を安全であるとは評価できない。

【0057】

設計段階において当該評価方法が用いられることにより、判定式（1.0）および（1.45）の両方、もしくは判定式（2.0）および（2.45）の両方を満たす柱継手構造１０が、高層建築物の施工者に提供される。

【0058】

アンダーマッチ溶接を行う場合においても、判定式（1.0）および（1.45）の両方、もしくは判定式（2.0）および（2.45）の両方を満たすことは可能である。そのため、溶接施工性の高い柱継手構造１０を提供することができる。

【0059】

柱継手構造１０の設計者は、溶接金属あるいは母材を同じ素材としたまま、柱幅Ｂや板厚ｔ等の設計パラメータを微調整しながら、柱継手構造１０の設計を試行錯誤することも考えられる。このような場合、判定式（1.0）、（1.45）、（2.0）、および（2.45）を構成する変数の一部を定数として取り扱うことができる。例えば、_wσ_y0 を500N/mm²、_wσ_u0を630N/mm²、_Bσ_yを630N/mm²の条件下において、判定式（1.0）、（1.45）、（2.0）、および（2.45）を次式（1'.0）、（1'.45）、（2'.0）、および（2'.45）に書き換えることができる。ただし、これらの提案式は８０キロ級母材柱に対し、６０キロ級の軟質溶接材料の適用を検討する際に有効なものである。例えばさらに軟質な５０キロ級の溶接材料を検討する際には、００３７段落に記載の崩壊機構を同様の手法で設定し、崩壊荷重Pが溶接金属の降伏耐力_ｗσ_ｙ0の何倍となるか検討することで、応用することが可能である。

【0060】

【数10】

判定式の簡素化により、演算負荷が軽減され、評価結果を速やかに得ることが可能となる。

【0061】

＜６．判定式の検証＞
以上の判定式は、有限要素法解析を通じて得られたものである。本件発明者は、その妥当性を検証するための実験を行った。

【0062】

【表1】

まず、試験体が６種作成された。試験体の諸元を表１に示す。

【0063】

試験体Ｃ０－Ｈ、Ｃ０－Ｍ、Ｃ０－Ｌは、０度載荷方向に荷重を載荷することが想定され、図１～図３に示される第１試験体１０Ａと同様の構成となるように作成された。試験体Ｃ４５－Ｈ、Ｃ４５－Ｍ、Ｃ４５－Ｌは、４５度載荷方向に荷重を載荷することが想定され、図４および図５に示される第２試験体１０Ｂと同様の構成となるように作成された。

【0064】

いずれの試験体においても、母材としての柱部材１１，１２の材料特性は同一とした。母材には、降伏耐力_Ｂσ_ｙが719N/mm²の８０キロ級高張力鋼が使用された。

【0065】

溶接金属は、３種準備された。１つ目は、３種のうち最も高い強度を有する８０キロ級溶接金属であり、試験体Ｃ０－ＨおよびＣ４５－Ｈに適用された。２つ目は、３種のうち中間の強度を有する６０キロ級溶接金属であり、試験体Ｃ０－ＭおよびＣ４５－Ｍに適用された。３つ目は、３種のうち最も低い強度を有する５０キロ級溶接金属であり、試験体Ｃ０－ＬおよびＣ４５－Ｌに適用された。

【0066】

この実験では、軸力Ｎを０とするため、判定式（1.0）および（1.45）の妥当性が検証される。

【0067】

【表2】

表２は、式による判定を示す。

【0068】

試験体Ｃ０－ＨおよびＣ４５－Ｈは、接合部にイーブンマッチ溶接またはオーバーマッチ溶接が適用されており、本発明の趣旨に反する比較例である。試験体Ｃ０－ＭおよびＣ４５－Ｍは、接合部にアンダーマッチ溶接が適用されており、また、判定式（1.0）および（1.45）を満たす実施例である。試験体Ｃ０－ＬおよびＣ４５－Ｌは、接合部にアンダーマッチ溶接が適用されているが、溶接金属の強度が低すぎて判定式（1.0）および（1.45）を満たさない比較例である。

【0069】

なお、母材および各溶接金属の引張特性を得るため、試験片が作成された。母材の引張試験片には、JIS Z2241 5号が用いられ、各溶接金属の引張試験片には、JIS Z3111 A2号が用いられた。試験片の採取位置は、母材は、全圧、圧延方向と垂直な方向に採取した。各溶接金属については、より実態に近い値を得るべく、試験体と同一ロットの材料を用いて、同一溶接施工条件にて図７に示す平継手を作成し、図８に示すように、溶接部断面においてｔ／２位置が中心となるように採取した。

【0070】

次の実験計画に従って実験を行った。すなわち、試験体の断面形状、および母材の降伏耐力_Ｂσ_ｙに基づく全塑性耐力Ｍ_ｐに対応する弾性変形量δ_ｐに基づき、各サイクルの変形量を設定し、±δ_ｐ、±２δ_ｐ、±３δ_ｐ、…を各２回ずつ、正負交番繰返し漸増載荷実験を行った。なお、軸力Ｎは０とした。試験体Ｃ０－Ｈ、Ｃ０－ＭおよびＣ０－Ｌには、０度載荷方向に荷重を載荷した。試験体Ｃ４５－Ｈ、Ｃ４５－ＭおよびＣ４５－Ｌには、４５度載荷方向に荷重を載荷した。

【0071】

【表3】

図９、図１０および表３に実験結果を示す。

【0072】

実験計画時の全塑性耐力Ｍ_ｐの値に対し、実験により得られる最大曲げ耐力Ｍ_ｍａｘと最小曲げ耐力Ｍ_ｍｉｎとの比（耐力上昇率）の絶対値が１．１以上となるものを実施例とした。

【0073】

試験体Ｃ０－ＭおよびＣ４５－Ｍは、耐力上昇率が１．１以上となり、アンダーマッチ溶接型の継手であっても構造体として十分に安全であると言える。試験体Ｃ０－Ｍは判定式（1.0）を満たし且つ試験体Ｃ４５－Ｍは判定式（1.45）を満たすことから、判定式の妥当性が確認された。加えて、接合部の最大曲げ耐力の実験値は、算出式（判定式の左辺）から算出される算出値と対応しており、この点からも判定式の妥当性が確認された。

【0074】

これまで、本発明の実施形態について説明したが、上記構成および方法は、本発明の趣旨の範囲内で適宜追加、変更および／または削除可能である。

【符号の説明】

【0075】

１０ 柱継手構造
１１ 下柱部材
１２ 上柱部材
１３ 接合部
１４ 開先

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】